劉佳鈺，張 軍

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074）

0 前言

減隔震技術(shù)作為目前應(yīng)用較廣泛的一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，它利用特制的減震及隔震裝置,大量消耗或阻止進(jìn)入結(jié)構(gòu)體系的能量,達(dá)到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與大小的目的。隨著我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展，以及近年來地震事故頻發(fā)的狀況，減隔震技術(shù)作為一種流行的、安全可靠的、經(jīng)濟(jì)有效的防震減災(zāi)技術(shù)迅速在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。減隔震包括了減震和隔震兩部分，前者主要是指使用特殊減震部件或設(shè)備從而能夠在強(qiáng)烈地震中，產(chǎn)生較大的阻尼，然后大量耗散系統(tǒng)的能量；后者以隔震方式削弱主體結(jié)構(gòu)的地震能量。

1 減隔震技術(shù)原理

減隔震技術(shù)是一種綜合利用隔震和減震的抗震設(shè)計(jì)方法，具體來講就是通過了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位置阻斷地震波的傳播、隔離地震能量。減隔震設(shè)計(jì)中還考慮了通過附加阻尼的方法進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。主要包括了減震技術(shù)和隔震技術(shù)。前者是指人為的將阻尼以及耗能構(gòu)件等設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)的某些合適的位置，從而使得耗能構(gòu)件能對(duì)地震波的能量進(jìn)行吸收。后者也是一種特殊的結(jié)構(gòu)類型。它與減震不同的是，它是具有震動(dòng)周期的特殊結(jié)構(gòu)。在地震發(fā)生時(shí)，同樣可以使得橋梁結(jié)構(gòu)的地震能量輸出。從而使得橋梁結(jié)構(gòu)緩沖地震力量，更好的保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)。兩者相得益彰，共同應(yīng)對(duì)地震波從而保護(hù)橋梁免受迫害。

由于隔震的本質(zhì)和目的是將結(jié)構(gòu)與可能引起結(jié)構(gòu)破壞的地面運(yùn)動(dòng)盡可能的分離開來。所以從能量守恒的觀點(diǎn)分析減隔震結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的能量變化。能量方程如下:

Ein的含義是橋梁結(jié)構(gòu)在地震中所接受的全部能量。Eve的含義是橋梁結(jié)構(gòu)承受的動(dòng)能與彈性勢(shì)能總和。Ec的含義是橋梁結(jié)構(gòu)本身阻尼所耗費(fèi)的能量;Ep的含義是橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性變形所耗費(fèi)的能量；Ei的含義是減隔震裝所耗費(fèi)的能量。

2 減隔震技術(shù)的發(fā)展

起始階段：19世紀(jì)歐洲已經(jīng)萌發(fā)了基礎(chǔ)隔震思想，但直到 20世紀(jì)70年代新西蘭學(xué)者羅賓遜開發(fā)的 LRB(鉛芯橡膠支座隔震技術(shù))開始逐漸受到關(guān)注。

發(fā)展階段：從 20世紀(jì)80年代至今，這一階段是減隔震技術(shù)的高速發(fā)展階段。例如 1981年在新西蘭惠靈頓建成的威廉克萊頓大樓是世界上第一個(gè)使用減隔震技術(shù)的建筑。1984年加州律師事務(wù)中心福希爾司中心建成后它是美國第一座隔震建筑，也是世界上第一個(gè)使用高阻尼橡膠支座隔震的建筑。1984年美國鹽湖城的市政大廈強(qiáng)調(diào)高層建筑必須使用隔離技術(shù)。2003年建成的日本大阪楠葉塔樓最高部分達(dá)到 136.8 m，這也歸功于建設(shè)中使用了減隔震技術(shù)。2010年應(yīng)用基礎(chǔ)隔震技術(shù)建成了世界最高的建筑迪拜塔哈利法塔。

結(jié)合文獻(xiàn)研究最近幾年的關(guān)于減隔震技術(shù)的文章，可以看到明顯呈現(xiàn)一個(gè)幾乎指數(shù)遞進(jìn)的趨勢(shì)，見圖1。

由圖1可知，研究關(guān)于減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用是當(dāng)前的一大趨勢(shì)，這也反映出減隔震技術(shù)對(duì)于橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的。

3 減隔震技術(shù)的重要性

圖1 減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上發(fā)表的文章

橋梁設(shè)計(jì)中的減隔震設(shè)計(jì)指的是在橋梁建設(shè)時(shí)安裝隔震器，它可以使橋梁在水平方向上得到柔性支承，這樣就使水平方向上的周期延長，另外還要安裝阻尼器提高橋梁的阻尼效應(yīng)，可以在地震發(fā)生時(shí)降低地震的作用。如果在橋梁的設(shè)計(jì)中加強(qiáng)隔震設(shè)計(jì)，可以有效地改善和分解地震中的地震力在各結(jié)構(gòu)支座間力的分布情況，這樣可以保護(hù)橋梁的基礎(chǔ)部位，同時(shí)對(duì)橋梁的上部結(jié)構(gòu)可以有效地支撐和保護(hù)在橋梁。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)減隔震設(shè)計(jì)可起到調(diào)節(jié)橫向剛度的作用，這樣可以改善橋梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)平衡的問題，有效地降低了地震力。所以，減隔震技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上十分重要。

4 橋梁減隔震裝置分類

橋梁減隔震技術(shù)發(fā)展迅速，減隔震裝置分類上比高層建筑的減隔震裝置更多些。常見的橋梁減隔震裝置包括五類：鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滑動(dòng)摩擦型支座、液體黏滯阻尼器、金屬阻尼器。隨著時(shí)代的發(fā)展科技的進(jìn)步，肯定有更多的橋梁減隔震裝置出現(xiàn)，本文就這些做一個(gè)簡單的分析。

4.1 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座是由普通疊層橡膠支座及其中間的高純度鉛芯組成。普通疊層橡膠提供豎向承載力和水平柔性及恢復(fù)力，高純度的鉛芯利用其塑性性能吸收并耗散能量。金屬鉛有較高的初始剪切模量和理想彈塑性性能，因此鉛芯橡膠支座能夠滿足強(qiáng)震下耗能需求和正常使用時(shí)提供足夠的剛度。鉛芯橡膠支座是同時(shí)具備減震和隔震雙重功能的減隔震裝置。

4.2 高阻尼橡膠支座

高阻尼橡膠支座采用添加纖維塑料、石墨或其他添加劑的高阻尼橡膠材料制成。支座產(chǎn)生剪切變形時(shí)，高阻尼橡膠中的纖維塑料或石墨細(xì)顆粒物通過摩擦生熱耗散運(yùn)動(dòng)能量，其阻尼比一般在 10%～20%，約為普通疊層橡膠支座的 2～4 倍。因此，高阻尼橡膠支座不僅具有與普通板式橡膠支座同樣的力學(xué)性能，更具備阻尼比高、減震耗能性能突出的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 滑動(dòng)摩擦型支座

滑動(dòng)摩擦型支座在我國最常見的是聚四氟乙烯滑板支座。該支座采用聚四氟乙烯（PTFE）材料做摩擦板，與不銹鋼板的摩擦系數(shù)僅為 0.06，是中等噸位活動(dòng)型支座的首選。在地震作用時(shí)，當(dāng)支承在滑動(dòng)摩擦型支座上的梁體受到的慣性力大于摩阻力時(shí)，梁體與支座滑動(dòng)面之間開始滑移，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期延長；梁體通過支座傳遞給橋墩的水平力即為摩阻力。

4.4 液體黏滯阻尼器

液體黏滯阻尼器由高強(qiáng)耐壓缸體、活塞桿、活塞及阻尼孔和黏性阻尼液等組成，其工作原理是利用活塞兩端壓力差使高黏性阻尼液反復(fù)流過阻尼孔而產(chǎn)生阻尼力并耗散運(yùn)動(dòng)能量。

液體黏滯阻尼器屬于速度黏滯型阻尼，阻尼力峰值與結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力峰值存在一個(gè)約 90°的相位差，阻尼器兩端相對(duì)位移達(dá)到最大值時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為零，阻尼器提供的阻尼力也為零；當(dāng)阻尼器兩端相對(duì)位移為零時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大值，阻尼器提供的阻尼力也相應(yīng)的達(dá)到最大值。

4.5 金屬阻尼器

金屬阻尼器是利用一些金屬材料如鋼、鉛等彈塑性變形性能吸收地震能量的裝置。采用低屈服點(diǎn)鋼材可以制成彎曲型或剪切型阻尼器。

5 橋梁減隔震裝置的缺點(diǎn)

（1）適用條件有限

不是所有情況都適合應(yīng)用減隔震技術(shù)。例如：場地比較軟弱、不穩(wěn)定、或延長橋梁結(jié)構(gòu)周期后容易發(fā)生共振等情況，就不宜使用隔震技術(shù)。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)之前需要判斷該橋是否適合采用減隔震技術(shù)。事實(shí)上，至少滿足下面一個(gè)條件,就可以嘗試采用隔震技術(shù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。一、地震波的強(qiáng)度：減隔震技術(shù)更適合于適用于能量集中于高頻的地震波。二、橋梁結(jié)構(gòu)的高度：橋梁高度是不規(guī)則的,例如相鄰橋墩的高度顯著不同,因而可能存在對(duì)某個(gè)墩延性要求很高的情況。三、場地的角度：預(yù)期地面運(yùn)動(dòng)特性比較明確,具有較高的卓越頻率并在長期內(nèi)含有較低的能量。

（2）缺乏考驗(yàn)

當(dāng)前設(shè)計(jì)出的許多減隔震裝置都沒有經(jīng)歷過真正的地震檢驗(yàn)，性狀優(yōu)劣還有待考證。只有經(jīng)歷過大地震才知道一項(xiàng)減隔震技術(shù)效果如何。

（3）規(guī)范缺乏

我國在橋梁減隔震裝置設(shè)計(jì)上還缺乏規(guī)范性，更缺乏經(jīng)驗(yàn)支持，尤其是在細(xì)節(jié)處理及構(gòu)件設(shè)計(jì)上，若是不能及早完善這些缺點(diǎn)，有可能會(huì)引起減隔震裝置的作用大大降低甚至失效。

6 相應(yīng)的策略

（1）學(xué)習(xí)并了解地震發(fā)生的強(qiáng)度，周期等，確保減隔震裝置不會(huì)用錯(cuò)地方。辨認(rèn)減隔震技術(shù)的使用范圍無疑是正確充分利用的充分條件。

（2）國家和地方政府需要制定、并完善相應(yīng)的法律法規(guī)，政策方針。規(guī)范橋梁建設(shè)的安全。尤其是裝有減隔震裝置的橋梁，抗震效果的判斷等。

（3）充分利用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際情況，進(jìn)行充分的論證和實(shí)驗(yàn)后才能付諸于實(shí)踐。同時(shí)要對(duì)技術(shù)不斷更新和提升。從而在橋梁建設(shè)方面更加的安全、防震、便捷。

7 結(jié)語

減隔震技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn),在不同的位置設(shè)置不同的減隔震裝置,來提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。目前，我國尚處于隔震技術(shù)起步階段，國外的一些成功工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)該利用國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，健全法律法規(guī)，增強(qiáng)我國橋梁的減隔震裝置和方法的設(shè)計(jì)水平，提高橋梁工程抗震性能。

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